Electro-Mechanical Tuning of High-Q Bulk Acoustic Phonon Modes at Cryogenic Temperatures
该研究在4K和20mK极低温下,通过直流偏置电压实现石英体声波腔高Q声子模式的宽频调谐,调谐范围超100线宽且品质因数无下降,调谐系数约为每泛音数3.5mHz/V。
2022-10-19 physics.app-ph
Frequency perturbation integral for piezoelectric quartz crystal microbalances based on scalar differential equations
本文基于石英板厚度剪切模式的标量微分方程进行一阶微扰分析,推导出压电石英谐振器频率偏移的微扰积分,并在均匀质量层下退化为Sauerbrey方程,进而计算非均匀质量层引起的频率偏移。
2023-05-17 physics.app-ph
Noise Suppression with Cryogenic Resonators
本文提出利用冷却至约6 K的蓝宝石低温谐振器抑制微波信号快速技术波动,在偏离载波10 kHz处实现超50 dB噪声抑制,为高精度基础物理测试和雷达开发提供支持。
2024-03-27 physics.app-ph
Mechanical and optical nanodevices in single-crystal quartz
单晶α-石英是应用最广泛的压电材料之一,具有广泛的定时应用。由于基于集成薄膜的石英平台不可用的事实,这些应用中的大多数依赖于宏观的、基于体晶体的器件。在这里,我们表明,法拉第笼角蚀刻技术可以用来实现纳米级的机电和光子器件在石英。使用这种方法,我们展示了石英纳米机械杠杆和环形谐振器,具有Qs分别为4,900和8,900。
2017-10-10 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Experimental Study of Periodically Poled Piezoelectric Film Lithium Niobate Resonator at Cryogenic Temperatures
该研究首次在低温下实验表征周期性极化压电薄膜铌酸锂谐振器,发现高阶兰姆模式频率温度系数平均为-68.8 ppm/K,低温下Q值更高且杂散模式更明显,为毫米波器件损耗机制研究奠定基础。
2024-03-14 physics.app-ph
Effects of the thin-film thickness on superconducting NbTi microwave resonators for on-chip cryogenic thermometry
École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)(洛桑联邦理工学院)
研究薄膜厚度对超导铌钛谐振腔温度灵敏度和分辨率的影响,实现亚毫开尔文级低温监测。
2025-07-24 physics.app-ph
Cryogenic operation of MEMS-based suspended high overtone bulk acoustic wave resonators for microwave to optical signal transduction
悬浮高泛音体声波谐振器(HBAR)可以作为一个可行的光机械平台,有效地将信号从微波转换到光频域。与1D纳米束光机械晶体相比,HBAR受益于非常高的RF到声子注入效率($η_{PIE}\approx$ 1)和低温下的低光学泵浦诱导加热。通过在这些器件周围构建小模体积光学腔,原则上可以实现与1D纳米束光机械晶体相当的光机械协同性。在这项工作中,我们证明了低温操作($\approx$ 10 K),这样的悬挂HBAR设备,并显示经典的信号调制高达3.5 GHz和响应时间$\approx$ 524 ns(在340 MHz的基本模式)。虽然转导效率目前受到这项工作中使用的材料和设备制造工艺的限制,但我们表明,通过合理的修改,使用这种方法可以实现有效的量子转导。
2021-09-24 physics.app-ph physics.optics
Loss channels affecting lithium niobate phononic crystal resonators at cryogenic temperature
我们研究了在锂氧化物薄膜上制作的用于与超导量子线路集成的微波频率声子晶体谐振器的性能。对于不同的设计几何形状在毫开尔文温度下,我们实现了机械内部品质因数$Q_i$以上$10^5 - 10^6$在高微波驱动功率,对应于$5\times10^6$声子内的谐振器。通过扫描具有相同反射镜单元设计的谐振器的缺陷尺寸,我们能够经由谐振器的内部品质因数间接地观察完整声子带隙的特征。对品质因数的温度依赖性的检查显示了超导和二能级系统(TLS)损耗通道如何影响器件性能。最后,我们观察到与共振TLS衰减一致的异常低温频移,并发现材料选择可以帮助减轻这些损失。
2021-03-28 cond-mat.mes-hall physics.app-ph quant-ph
Coherent and Purcell-enhanced emission from erbium dopants in a cryogenic high-Q resonator
定制的基质晶体中掺杂剂和其他原子类缺陷的稳定性和出色的相干性使其成为在量子网络中实现分布式量子信息处理和传感的领先平台。尽管所需的有效的光-物质耦合可以通过集成到纳米级谐振器中来实现,但在这种方法中,界面的接近性对即使是最不敏感的发射器的相干性也是有害的。在这里,我们建立一个替代方案:通过将19微米薄的掺铒晶体集成到具有九百万品质因数的低温法布里-珀罗谐振器中,我们可以证明发射速率的59(6)倍增强,对应于530(50)的两级Purcell因子,同时保持最高达0.54(1)ms的寿命有限的光学相干性。由于其在光纤的最小损耗波长处的发射和其46(8)%的外耦合效率,我们的系统能够为长距离量子网络提供相干和有效的节点。
2020-11-10 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Loss Mechanisms in Cryogenic Microwave Epitaxial AlN Resonators
Rensselaer Polytechnic Institute(伦斯勒理工学院);Yale University(耶鲁大学);Cornell University(康奈尔大学)
本文研究了极低温下FBAR的损耗限制,通过建立物理模型分析了内在和外在损耗机制,验证了模型在不同频率谐振器中的适用性,为超导量子硬件设计提供理论支持。
2026-08-31 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Thin-film nanostructuring of NbTi superconducting resonators for enhanced temperature sensitivity in cryogenic thermometry
École Polytechnique Fédérale de Lausanne(洛桑联邦理工学院)
本研究通过对NbTi超导谐振器感应线制备纳米沟槽阵列,使温度灵敏度提升10倍,为低温测温提供了有效设计策略。
2026-10-12 physics.app-ph
Piezo-optomechanical coupling of a 3D microwave resonator to a bulk acoustic wave crystalline resonator
本研究观测到3D微波腔模式与石英体声波谐振器间由压电和辐射压力介导的耦合,通过输入输出形式论验证5MHz体声波剪切模式对腔模的调制,结合有限元模拟分析耦合贡献并探讨高合作度潜力与应用。
2019-09-15 physics.app-ph
Loss investigations of high frequency lithium niobate Lamb wave resonators at ultralow temperatures
Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences(中国科学院上海光学精密机械研究所);University of Chinese Academy of Sciences(中国科学院大学);ShanghaiTech University(上海科技大学);Purple Mountain Laboratories(紫金山实验室)
实验研究了高频铌酸锂兰姆波谐振器在毫开尔文温度下的品质因数与谐振频率特性,发现A1和A3模式呈现不同的温度依赖性,为低温损耗机制及量子声动力学应用提供了新见解。
2025-10-13 cond-mat.supr-con physics.app-ph
Low Noise Microwaves for Testing Fundamental Physics
研究了微波信号在低温谐振腔中传输时的噪声特性。实验是在11.342 GHz蓝宝石加载谐振腔冷却到6.2 K时进行的。根据实测的低温谐振腔的透射系数,计算了其噪声抑制函数。这是通过蒙特卡罗模拟完成的,其中一些细节在这封信中讨论。接下来,我们测量了入射到低温谐振器上的信号的技术波动。在用先前计算的噪声滤波“模板”处理这些数据之后,我们推断出传输信号的噪声谱。我们发现,在傅立叶频率F $\ge$ 10 kHz处,传输信号的相位和幅度波动的谱密度接近于-180 dB/Hz的热噪声极限。这种热噪声受限的微波允许对狭义相对论进行更精确的测试,并且在量子信号处理的某些阶段可能有用。
2021-02-19 physics.app-ph physics.ins-det
Ultralow voltage, High-speed, and Energy-efficient Cryogenic Electro-Optic Modulator
低温下的光子集成电路(PIC)在用于计算和传感的可扩展经典和量子系统中实现了广泛的应用。低温PIC的一个很有前途的应用是通过将信号从电域上转换到光域来提供光互连,允许从4K超导(SC)电子器件到室温环境的大量数据传输。这种解决方案对于克服低温系统可扩展性中的主要瓶颈至关重要,低温系统目前依赖于受有限带宽、大热负载影响的笨重铜电缆,并且没有显示出任何可扩展性路径。实现低温到室温光学互连的关键元件是以mV级的操作电压在4K下操作的高速电光(EO)调制器,与SC电子兼容。尽管已经演示了几种低温EO调制器,但与SC电路所需的mV标度电压相比,它们的驱动电压明显较大。在这里,我们展示了一种低温调制器,具有~10 mV的峰峰值驱动电压和千兆比特/秒的数据速率,具有超低的电和光能量消耗~10.4阿焦耳/位和~213毫微微焦耳/位,分别。我们通过在异质InP硅平台中设计紧凑的光环谐振器调制器来实现这种记录性能,在该平台中,我们优化了InAlGaAs的多量子阱层,以在4 K下实现强EO效应。与硅等其他半导体不同,我们的平台受益于III-V族化合物在低温下的高载流子迁移率和最小的自由载流子冻结,具有中等掺杂水平和低损耗(本征谐振器Q~ 272,000)。这些调制器可以为复杂的低温光子功能以及低温和室温电子器件之间的大规模数据传输铺平道路。
2022-07-07 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Terahertz whispering gallery mode bubble resonator
回音壁模式(WGM)谐振器是一种引人注目的光学器件,但在太赫兹(THz)领域几乎未被开发。在这封信中,我们报告的太赫兹WGM在石英玻璃泡谐振器与亚波长壁厚。提出了一种前所未有的研究太赫兹WGM的振幅和相位。相干太赫兹频域测量与一个简单的分析模型和数值模拟的结果非常一致。在0.47 THz处观察到9的高精细度和超过440的品质(Q)因子。由于大的倏逝场,高Q因子的太赫兹WGM气泡谐振器可以被用作一个紧凑的,在有趣的太赫兹频率范围内的高灵敏度传感器。
2018-02-27 physics.app-ph physics.optics
Dispersive readout of a high-Q encapsulated micromechanical resonator
兆赫兹范围内的封装体模微谐振器用于商业计时和感测应用中,但它们的性能受到读出方法的当前技术状态的限制。我们演示了一个读出使用高Q封装体模微机械谐振器和集总元件微波谐振器,是实现与商用组件和标准的印刷电路板制造方法之间的色散耦合,并在室温和压力下工作。微波读出系统的频域测量产生$522 \, \mathrm{fm/\sqrt{Hz}}$的位移分辨率,这证明了对体模封装微谐振器中的位移测量的现有技术的改进。这种方法可以很容易地实现在低温测量,允许在低温下的封装体模谐振器的热机械噪声特性的未来工作。
2022-08-22 physics.app-ph physics.ins-det
Characterization and Analysis of On-Chip Microwave Passive Components at Cryogenic Temperatures
本文介绍了微波无源元件,包括金属氧化物金属(MoM)电容器,Transformers和谐振器,在深低温(4.2 K)的特性。电容,电感和品质因数的变化解释有关的物理参数的温度依赖性和由此产生的见解在低温下的无源器件的建模。首次报道的低至4.2 K的表征和建模对于设计低温CMOS射频集成电路至关重要,这是为可扩展量子计算机构建电子接口的有希望的候选者。
2019-11-29 physics.app-ph quant-ph
Cryogenic microwave loss in epitaxial Al/GaAs/Al trilayers for superconducting circuits
外延生长的超导体/电介质/超导体三层具有形成高性能超导量子器件的潜力,并且甚至可以允许具有低表面积量子比特(诸如合并元件transmon)的可扩展的超导量子计算。在这项工作中,我们测量的功率无关的损耗和两级状态(TLS)的损耗外延,晶片键合,和基板去除铝/砷化镓/铝三层通过测量集总元件超导微波谐振器在毫开尔文温度和下降到单光子功率。器件的功率无关损耗为$(4.8 \pm 0.1) \times 10^{-5}$,谐振器诱导的本征TLS损耗为$(6.4 \pm 0.2) \times 10^{-5}$。介电损耗提取用于确定$7.2 \times 10^{-5}$三层的本征TLS损耗的下限。不寻常的高功率无关损耗归因于GaAs的固有压电性。
2021-08-30 physics.app-ph quant-ph
Tests of cryogenic Fabry-Perot cavity with mirrors on different substrates
实验是在低温真空中用法布里-珀罗谐振腔进行的。镜子被应用在各种光学材料的基底上。使用波长为1.064微米的红外激光。泵浦功率最大可达450 mW。在(300 - 10)K温度范围内跟踪了FP腔光学特性的演变。测量的主要参数是FP共振的积分特性:干涉的锐度(精细度)和对比度。测试了三种类型的基板:a sitall -具有超低热膨胀(ULE)的光学玻璃、蓝宝石和氟化钙。在冷却过程中,FP腔的积分特性的退化被观察到的sitall镜由于(ULE)的属性的损失,蓝宝石镜由于双折射效应。在整个温度范围内研究表明,氟化钙FP谐振器的积分特性具有令人满意的恒定性1
2019-02-09 physics.app-ph physics.optics
Contact-less phonon detection with massive cryogenic absorbers
我们发展了一种非接触式技术,用于在亚开尔文温度下实时测量吸收体中的非热(库珀对断裂)声子。特别地,在30克高电阻率硅晶体上实现了薄膜铝超导谐振器。集总元件谐振器由沉积在另一个晶片上的射频微带馈线感应激励/读出;传感器,动态电感检测器(KID),在没有任何物理接触或布线到吸收器的情况下读出。该谐振器表现出优异的电性能,特别是在其内部品质因数方面。实现了在大质量吸收体中的α和γ的检测,具有约1.4 keV的RMS能量分辨率,这对于粒子物理应用已经是有趣的。该原型探测器的分辨率主要受到沉积能量到超导激发(准粒子)的低转换效率(约0.3%)的限制。所展示的技术可以进一步优化,并用于生产大型阵列的非热声子探测器,用于稀有事件的搜索,如:暗物质直接检测,中微子少双β衰变,或相干弹性中微子核散射。
2019-11-19 hep-ex physics.app-ph physics.ins-det
Tunable High-Quality Fano Resonance in Coupled Terahertz Whispering-Gallery-Mode Resonators
Fano谐振在设计新型太赫兹器件,如传感器、滤波器、调制器和群延迟模块中被广泛讨论。通常,Fano谐振的高品质(Q)因子和灵活的可调谐性是这些应用的关键要求。在这里,我们提出了可调谐太赫兹Fano谐振在0.439太赫兹耦合太赫兹回音壁模式谐振器(WGMR)的Q因子为2095。采用低Q(578)石英环和高Q(2095)硅环耦合产生Fano谐振。Fano谐振的谐振频率可以通过调节高Q WGMR的谐振频率来主动控制,这是通过利用电热光调谐方法实现的,同时Fano谐振的谐振强度可以通过调节两个WGMR之间的耦合强度来工程化。这种耦合WGMR方案提供了高Q可调谐Fano谐振,并可能有助于高性能可配置太赫兹器件的设计。
2019-10-13 physics.app-ph physics.optics
Surface Modification and Coherence in Lithium Niobate SAW Resonators
本研究通过氩离子溅射、退火和酸洗等表面处理铌酸锂声波谐振器,结合低温微波光谱、XPS和AFM表征,发现表面质量改善可能伴随TLS密度增加,揭示了表面修饰对器件相干性的重要影响。
2023-06-26 physics.app-ph quant-ph
Coherent coupling of single molecules to on-chip ring resonators
我们报告的低温耦合的有机分子环微谐振器通过循环亚波长波导(纳米波导)。我们讨论了基于芯片的纳米光子元件的制造和表征,该元件在被分子晶体覆盖时产生约20的谐振器精细度。我们观察到的单分子消光下降达到22%,与预期的Purcell增强高达11倍一致。未来的努力将致力于通过与环形微谐振器模式的相互作用有效地耦合少数分子,为实现量子光学合作效应奠定基础。
2019-02-15 physics.app-ph quant-ph
Single Whispering-Gallery-Mode Resonator With Microfluidic Chip as a Basis for Multifrequency Microwave Permittivity Measurement of Liquids
与单频介电常数研究相比,在一定频率范围内精确测量复液体介电常数提供了有关液体性质的重要信息。提出、发展并论证了基于微流控芯片的单石英回音壁模式(WGM)谐振器的多频微波表征技术。该技术允许在30-40 GHz频率范围内的六个谐振频率下测量小体积液体的复介电常数。通过模拟测量单元并绘制所有六个研究频率的校准诺模图来进行校准。将该方法应用于L-赖氨酸水溶液复介电常数的研究。结果开辟了可能性,调查在几个频率的生物液体的复介电常数,并进一步发展微波介电测量的小液体体积在一定的频率范围内使用的准光学性质的一个单一的高Q值WGM谐振器。
2022-04-29 physics.app-ph physics.bio-ph
Simple coplanar waveguide resonator mask targeting metal-substrate interface
本白皮书介绍了一个单层掩码,可在https://github.com/Boulder-Cryogenic-Quantum-Testbed/simple-resonator-mask上找到。它是专为制造超导微波谐振器对1:1比较从金属衬底界面的介电损耗。电磁元件的电磁模拟被用来确定参与率的四个主要区域的片上器件,以及确认相邻器件之间的串扰的缺乏,并证明耦合的可调谐性超过三个数量级。该掩模旨在作为一个开源社区资源,用于促进在单光子,毫开尔文制度下精确和准确的材料比较。
2022-04-14 physics.app-ph quant-ph
Upconversion of Phonon Modes into Microwave Photons in a Lithium Niobate Bulk Acoustic Wave Resonator Coupled to a Microwave Cavity
该研究在4 K低温下实现铌酸锂体声波谐振器与分裂柱式凹腔微波腔的耦合,测得声学模式品质因数超10^6、光机械耦合速率达0.014 mHz,较同类石英体系结果高四个数量级。
2024-11-07 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Wireless millikelvin interconnects for superconducting quantum hardware
University of Strathclyde(斯特拉斯克莱德大学);University of Glasgow(格拉斯哥大学);National Physical Laboratory(国家物理实验室)
研究可扩展量子计算中电气互连瓶颈,通过在低温环境对比有线和无线操作,展示对超导微波谐振器的无线激发,揭示寄生电磁路径,为无线互连等与超导量子硬件的协同设计建立框架。
2026-07-16 cond-mat.mes-hall physics.app-ph quant-ph
Estimation of the FR4 Microwave Dielectric Properties at Cryogenic Temperature for Quantum-Chip-Interface PCBs Design
本研究针对量子芯片接口低温PCB的低成本需求,提出基于共面波导λ/2开路串联谐振器的FR4介电特性评估方法,测得300K到4K下FR4实介电常数降9%、损耗角正天降70%,可推广至各类基板低温介电性能检测。
2025-01-14 physics.app-ph physics.ins-det
Nanoscale Imaging of Super-High-Frequency Microelectromechanical Resonators with Femtometer Sensitivity
实现微机电系统(MEMS)谐振器需要对器件进行详细的微观理解,如能量耗散通道、寄生模式和微加工缺陷。在这里,我们报告了一个独立的超高频(3 ~ 30 GHz)横向泛音体声波谐振器具有前所未有的空间分辨率和位移灵敏度的纳米成像。使用传输模式微波阻抗显微镜,我们已经可视化的模式个人泛音和分析高阶横向寄生模式和锚损耗。积分的TMIM信号与谐振器中存储的机械能很好地一致。有限元建模的定量分析表明,在室温下,本底噪声相当于10 fm/sqrt(Hz)的面内位移,这可以在低温环境下进一步改善。我们的工作有助于MEMS谐振器的设计和表征,具有更好的性能,用于电信,传感和量子信息科学应用。
2023-02-16 eess.IV physics.app-ph